K形圓管節點承載力有限元分析

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引言

相對于正方形的箱型截面，鋼管截面回轉半徑大，抗扭剛度大；整體與局部屈曲強度高；抗彎強度大，因此，在實際工程中得到廣泛應用。但是，由于鋼管節點處只能采用焊接，且圓管結構在軸向荷載作用下將產生較大的橫向變形，導致與其連接的桿件產生附加內力，所以節點區域受力復雜。特別是對于使用全焊鋼管桁架結構，節點處的設計結構的控制區域。由于缺乏相關研究，給我國設計者對于鋼管桁架結構設計帶來了極大的不便。因此在早期桁架橋梁多采用箱型截面。本文通過研究設計參數對圓管節點極限承載力的影響，為設計人員在對圓管桁架設計時提供必要的參考。

一、有限元模型

K形圓管節點如圖1所示，底部是一個主管直徑為16mm；上部的兩個支管通過焊接與主管相連，支管直徑為100mm。其中兩個計算模型的主管的厚度分別為直徑的1/10(16mm)和1/8(20mm)。有限元計算模型采用shell181殼單元，此單元有4個節點，每個節點在x，y，z坐標方向共有6個自由度。材料采用Q235鋼，彈性模量E=2.05×105 N/mm2,泊松比ν=0.3，如圖2所示，采用雙折線理想彈塑性模型。邊界條件如圖3所示，支管端部均為固接。加載方式如圖4所示：在主管兩端施加軸向力，以最不利荷載的1/10為荷載步逐級施加直到結構破壞(即計算出現不收斂情況)。

圖1 圓管節點

圖2 雙折線模型

圖3 有限元模型邊界條件

圖4 加載方式

二、計算結果

使用ANSYS中APDL語言中的*do循環語言向主管的兩端施加線壓力，保存每個荷載步的計算結果。在計算到第39個荷載步時無法收斂。圖5與圖6分別為主管厚度為16mm時荷載步為25(即結構上的最大應力達到屈服應力)和荷載步為38(最大荷載步)。

圖5 第25荷載步應力圖

圖6 第38荷載步應力圖

由計算結果可以知道主管左端在均布荷載為500KN，右端在均布荷載為875KN時圓管節點出現屈服應力，在主管左端均布荷載為760KN，右端在均布荷載為1330KN時圓管節點達到最大承載能力。

當主管厚度為20mm時，在計算到第44個荷載步時無法收斂。圖7與圖8分別為荷載步為25(即結構上的最大應力達到屈服應力)和荷載步為44(最大荷載步)。

圖7 第25荷載步應力圖

圖8 第44荷載步應力圖

由計算結果可以知道主管左端在均布荷載為500KN，右端在均布荷載為875KN時圓管節點出現屈服應力，在主管左端均布荷載為880KN，右端在均布荷載為1540KN時圓管節點達到最大承載能力。

三、結論

經過對比可以看出，增加主管的厚度可以提高節點的極限承載能力，但是無法提高節點到達屈服時的承載能力。